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POTENZIAMENTO TECNOLOGICO DEL SARDINIA RADIO TELESCOPE – SRT: RITORNO AL FUTURO

L’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) ha completato con successo l’acquisizione di tutta la strumentazione di avanguardia prevista nel progetto PON Ricerca e Innovazione 2014 – 2020. Il progetto, finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca per un totale di 18,7 milioni di Euro, ha raggiunto l’obiettivo di potenziare tecnologicamente il Sardinia Radio Telescope (SRT). Si apre ora una fase di verifica della nuova dotazione strumentale che porterà il radiotelescopio nella condizione di piena attività e produttività scientifica. La comunità astronomica internazionale potrà affrontare nuovi ambiti di ricerca, prima non esplorabili, grazie alla possibilità di osservare l’Universo nelle onde radio fino alla frequenza di 100 GHz.

Il Sardinia Radio Telescope (SRT), situato a San Basilio in provincia di Cagliari, è una Infrastruttura di ricerca dell’Istituto Nazionale di Astrofisica. È un radiotelescopio di 64 metri di diametro, certamente uno dei più innovativi e performanti d’Europa, nato per studiare le onde radio provenienti dal cosmo. Oltre ad essere uno strumento ideale per le applicazioni astronomiche come “antenna singola”, SRT può osservare anche in modalità interferometrica a lunghissima base, la cosiddetta tecnica VLBI, cioè in rete con le antenne europee e le altre antenne italiane dell’INAF situate a Medicina, in provincia di Bologna, e a Noto, in provincia di Siracusa.

Sebbene SRT sia stato progettato per osservazioni fino ad una frequenza nominale di 100 GHz, nella sua configurazione iniziale, lo strumento era stato equipaggiato con ricevitori che hanno una copertura di frequenza da 0,3 a 26 GHz.

Nell’ambito del Programma Operativo Nazionale (PON) denominato “Potenziamento del Sardinia Radio Telescope per lo studio dell’Universo alle alte frequenze radio”, INAF si è aggiudicato un finanziamento di 18,7 milioni di Euro dal Ministero dell’Università e della Ricerca. Il progetto di potenziamento di SRT è partito il 25 giugno del 2019 e si è concluso il 25 giugno 2023 e ha visto la partecipazione di ricercatori di Sapienza Università di Roma, del CNR-EIIT, dello UK Research and Innovation (UKRI) nel Regno Unito, dell’Università di Manchester sempre nel Regno Unito e del Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) in Corea del Sud.

MISTRAL: il contributo Sapienza al Sardinia Radio Telescope

Per raggiungere gli obiettivi di potenziamento previsti nel progetto, SRT è stato equipaggiato con quattro nuovi ricevitori che permetteranno agli astronomi di osservare l’Universo fino a 100 GHz, avendo così una nuova finestra per studiare fenomeni celesti prima non esplorabili. Per migliorare le capacità di puntamento e la sensibilità del radiotelescopio, SRT è stato dotato anche di un nuovo sistema metrologico. E’ stato acquisito un avanzato sistema di backend e di computer per il trattamento dei dati, sono state potenziate le interfacce meccaniche ed elettroniche dell’infrastruttura che permetteranno al sistema un migliore funzionamento nel suo complesso. Infine, il potenziamento dei laboratori nella sede di Selargius della sede INAF di Cagliari, permetterà di mantenere allo stato dell’arte tutta questa nuova strumentazione capitalizzando il potenziamento per i prossimi 10 anni, almeno. Questi risultati sono stati presentati oggi al Teatro Doglio di Cagliari durante l’evento “Dall’Università all’impresa: la ricerca è innovazione” organizzato dal Ministero dell’Università e della Ricerca.

Potenziamento tecnologico del Sardinia Radio Telescope – SRT. Gallery

Il presidente dell’Istituto Nazionale di Astrofisica Marco Tavani commenta: “Con la strumentazione d’avanguardia e gli aggiornamenti infrastrutturali che vanta ora il Sardinia Radio Telescope potremo davvero spingerci molto più avanti nello studio dell’Universo nelle onde radio. Sono davvero orgoglioso di veder completato tutto questo complesso e articolato lavoro nel perfetto rispetto delle tempistiche e dei finanziamenti forniti dal Ministero dell’Università e della Ricerca, anche considerando i gravi problemi legati alla passata pandemia da COVID-19. Un lavoro corale che ha visto tutte le ‘anime’ dell’INAF – scientifiche, tecnico-ingegneristiche e amministrative – collaborare al meglio per raggiungere questo importante traguardo”.

Il progetto è strutturato in nove Obiettivi Realizzativi, ognuno con un responsabile, e le varie attività sono state seguite da un team di circa 60 unità di personale dell’Istituto Nazionale di Astrofisica composto da tecnologi, tecnici, amministrativi e ricercatori distribuiti nelle sedi di Cagliari, Bologna, Firenze e Catania.

L’infrastruttura così potenziata permetterà alla comunità scientifica di espandere l’utilizzo di SRT ad alte frequenze radio sia in modalità a disco singolo che in modalità interferometrica nella rete VLBI. Nel progetto finanziato è inoltre compreso un potenziamento delle antenne INAF di Medicina e Noto che operano, congiuntamente a SRT, nella rete VLBI.

Si apre ora una nuova fase di verifica della nuova dotazione strumentale che porterà il radiotelescopio nella condizione di piena attività e produttività scientifica consentendo al radiotelescopio di operare con grande versatilità ed efficienza, permettendo agli astronomi di esplorare aree scientifiche di frontiera grazie ad una copertura in frequenza da 0.3 a 100 GHz .

Federica Govoni, ricercatrice INAF a Cagliari e responsabile del progetto PON SRT ricorda: “Questo risultato non si sarebbe potuto raggiungere senza la costante presenza del Responsabile Amministrativo del progetto Maria Renata Schirru, del Direttore dell’ INAF di Cagliari Emilio Molinari, del Responsabile Unico del Procedimenti delle gare d’appalto Ignazio Porceddu, del Project Office composto da Davide Fierro, Letizia Caito e Andrea Orlati, del personale che ha curato la rendicontazione e l’archiviazione della documentazione tecnica, ovvero Adina Mascia e Teresa Pulvirenti e dell’intero Team del progetto. Tutti hanno partecipato al raggiungimento degli obiettivi con grande spirito di abnegazione”.

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Approfondimenti sui 9 Obiettivi Realizzativi

O.R.1 – Ricevitore criogenico multi-beam in Banda W per SRT (75 – 116 GHz)

Alessandro Navarrini, INAF Cagliari: “CARUSO (Cryogenic Array Receiver for Users of the Sardinia Observatory) è un ricevitore criogenico multi-beam 4×4 operante in banda W (70-116 GHz) installato al fuoco Gregoriano del Sardinia Radio Telescope (SRT). La realizzazione dello strumento è stata appaltata da INAF ad UKRI (UK Research and Innovation) nell’ambito del contratto PON OR1. CARUSO è tra i principali e più performanti strumenti disponibili in ambito radioastronomico a livello internazionale operanti in banda W. Grazie alla sua installazione, completata nelle scorse settimane, SRT riuscirà ad effettuare osservazioni astronomiche ad alta sensibilità sia di tipo spettro-polarimetrico che di emissione nel continuo, sfruttando al massimo il campo di vista, rendendo il radiotelescopio una facility pressoché unica nel panorama internazionale.”

O.R.2 – Ricevitore criogenico multi-beam in Banda Q per SRT (33 – 50 GHz)

Alessandro Orfei, INAF Bologna: “L’O.R.2 del progetto PON ha realizzato un ricevitore criogenico a microonde nella banda da 33 a 50 GHz, nella configurazione multifeed: 19 ricevitori identici guarderanno in contemporanea 19 punti del cielo. Sarà possibile ottenere mappe in spettroscopia, in polarimetria o in semplice ampiezza del segnale ricevuto. Sarà possibile osservare il Sole con questa modalità. Lo strumento deriva dal lavoro delle strutture INAF di Bologna, Firenze e Cagliari e si è avvalso della professionalità di IEIIT-CNR e dell’Università di Manchester per lo studio e realizzazione di due dispositivi in guida d’onda.”

O.R.3 – Camera millimetrica per SRT (80 – 116 GHz)

Matteo Murgia, INAF Cagliari: “Lo scopo dell’ O.R.3 era dotare SRT di una camera millimetrica di nuova generazione per osservazioni ad alta sensibilità e risoluzione angolare in banda W (80 – 110 GHz). La realizzazione è stata affidata a Sapienza Università di Roma, che in collaborazione con INAF ha progettato, realizzato e infine installato su SRT il ricevitore denominato MISTRAL: MIllimetric Sardinia radio Telescope Receiver based on Array of Lumped elements kids. Con un campo di vista di 4 minuti d’arco e una risoluzione angolare di 12 secondi d’arco, MISTRAL consentirà di esplorare casi scientifici chiave dalle scale galattiche fino all’Universo ad alto redshift. In particolare, l’avvento della camera MISTRAL aprirà una nuova strada per rivelare i dettagli della formazione e dell’evoluzione delle strutture su larga scala nell’Universo. Ad esempio, attraverso l’osservazione dell’effetto Sunyaev-Zel’dovich (SZ), sarà possibile effettuare indagini sugli ammassi di galassie e i filamenti che li collegano, ottenendo informazioni sulla loro fisica, dinamica e morfologia.”

MISTRAL: il contributo Sapienza al Sardinia Radio Telescope

O.R.4 – Sistema ricevente a microonde compatto e simultaneo a tre-bande per i tre radiotelescopi Italiani

Pietro Bolli, INAF Firenze: “Tre nuovi ricevitori tri-band (18-26 GHz, 34-50 GHz e 80-116 GHz) compatti, criogenici e simultanei sono stati sviluppati, all’interno dell’O.R.4 del PON, per i tre radiotelescopi INAF (SRT, Medicina e Noto). Una volta in operazione, essi consentiranno alla comunità scientifica di espandere dai siti Italiani le osservazioni alle alte frequenze sia come antenne singole sia in modalità interferometrica. La simultaneità in frequenza permetterà di migliorare la calibrazione del ricevitore alle alte frequenze (intorno ai 100 GHz) sfruttando calibratori astronomici presenti alle più basse frequenze. I ricevitori sono stati progettati e sviluppati dal Korea Astronomy and Space Science Institute sulla base di un analogo sistema che opera da più di 10 anni al Korea VLBI Network (KVN).”

O.R.5 – Sistema metrologico per SRT

Sergio Poppi, INAF Cagliari: “Per consentire l’operatività di SRT ad alte frequenze occorre tenere sotto controllo e monitorare le deformazioni della struttura che avvengono sotto l’azione di carichi gravitazionali e termici, oltre che a causa della pressione del vento. A tal fine, O.R.5 si e’ occupato della progettazione e della acquisizione di un complesso sistema di metrologia, costituito da oltre 200 sensori di temperatura, anemometri, inclinometri che forniranno ad un modello basato su reti neurali le informazioni per il calcolo in tempo reale degli errori di puntamento del telescopio; inoltre un laser scanner, un’ antenna per misure olografiche ed un sistema all’avanguardia di misura di posizione verificheranno il profilo delle ottiche principali, oltre che il loro corretto posizionamento nello spazio al fine di fornire al sistema di controllo le correzioni affinché SRT osservi sempre in modo da avere sempre le massime prestazioni possibili.”

Sardinia Radio Telescope SRT — Sergio Poppi, INAF Cagliari

O.R.6 – Backend per SRT

Giovanni Comoretto, INAF Firenze: “I nuovi ricevitori multi-beam richiedono sistemi di acquisizione dati in grado di analizzare un numero elevato di segnali indipendenti, su una banda passante elevata, e di supportare una varietà di modalità osservative (quasi-continuo, spettroscopia, spettropolarimetria, analisi di pulsar). Questo richiede l’utilizzo di schede basate su logiche programmabili. Il sistema di acquisizione è composto da due sezioni che consentono di analizzare fino a 40 segnali rispettivamente su una banda più limitata (fino a 1.4 GHz) ma con un numero elevatissimo di canali spettrali (fino a 65mila) oppure bande fino a 2 GHz con minore risoluzione spettrale. Lo sviluppo del firmware di acquisizione deriva dalla collaborazione tra le strutture INAF di Firenze e di Cagliari.”

da sinistra: Giovanni Comoretto (INAF Firenze) e Andrea Melis (INAF Cagliari)

O.R.7 – Fornitura delle interfacce elettroniche e meccaniche per l’integrazione dei nuovi sistemi

Andrea Orlati, INAF Bologna: “L’O.R.7 si è occupato del potenziamento dell’infrastruttura tecnica e tecnologica del Sardinia Radio Telescope. Alcune caratteristiche innovative della strumentazione scientifica acquisita con il progetto PON hanno reso necessari alcuni interventi ben mirati, alla meccanica e servomeccanica, agli impianti elettrico, criogenico, termostatazione e distribuzione dei segnali RF, al fine di garantire un’efficace integrazione e un pieno sfruttamento di tutti i ricevitori e dei nuovi backend digitali. Con la nuova configurazione del SRT si avrà, inoltre, una semplificazione delle procedure manutentive e il superamento di alcune carenze strutturali che apriranno il telescopio ad ulteriori miglioramenti tecnologici con chiare ricadute sulla quantità e qualità della produzione scientifica dello strumento.”

O.R.8 – HPC e sistemi di archiviazione per la raccolta ed uso dati SRT

Andrea Possenti, INAF Cagliari: “Per l’O.R.8, la disponibilità di una infrastruttura di calcolo moderna e prestazionale (circa 500 core CPU, 12 GPU di tipo A40 e oltre 8 PB di spazio su disco) costituisce un tassello fondamentale per permettere al rinnovato SRT di esprimere il suo pieno potenziale scientifico. In particolare, la componente installata presso il sito di SRT fornirà un’analisi in tempi rapidi della qualità dei dati acquisiti dall’antenna e servirà a preservare i dati per un breve periodo, prima del loro trasferimento altrove. La componente installata al sito dell’INAF di Cagliari sarà invece dedicata all’analisi approfondita dei dati.”

O.R.9 – Potenziamento dei laboratori per lo sviluppo di tecnologie a microonde

Tonino Pisanu, INAF Cagliari: “L’O.R.9 del PON ha riguardato il potenziamento dei laboratori dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Cagliari con la ricerca e l’acquisizione di strumentazione all’avanguardia per i laboratori di microonde, elettronica e meccanica. La strumentazione acquisita permetterà di progettare e sviluppare nuove tipologie di ricevitori e di backend radioastronomici, nuovi circuiti e schede elettroniche per il comando e controllo dei diversi sistemi installati sul Sardinia Radio Telescope e di nuovi sistemi metrologici per misurare e correggere le deformazioni gravitazionali e termiche della struttura del radiotelescopio che pregiudicano le sue prestazioni alle più alte frequenze di utilizzo.”

Testi, video e immagini dall’Ufficio stampa – Struttura per la Comunicazione di Presidenza Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)

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SCOPERTO UN DISCO PROTOSTELLARE A QUATTRO BRACCI, G358-MM1

In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature Astronomy, un gruppo di ricercatori – tra cui anche quattro dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), esperti in emissione maser (intense emissioni radio nelle microonde, focalizzate in modo analogo a come avviene per i laser), hanno mappato un disco protostellare di grande massa con un dettaglio maggiore rispetto a quanto ottenuto in precedenza. Grazie all’utilizzo combinato di antenne radio dislocate in varie parti del mondo con la tecnica VLBI (Very Long Baseline Interferometry) nell’ambito di una collaborazione internazionale, il team è stato in grado di scoprire i quattro bracci a spirale nel disco di gas e polveri in rotazione attorno alla protostella di grande massa G358.93-0.03MM1 (in breve G358-MM1), già avvistata nel 2019. La scoperta mette insieme le prove di molti degli aspetti della teoria dell’accrescimento episodico: un disco rotante, episodi di accrescimento e una struttura a spirale che aiuta ad alimentare la crescente protostella di grande massa.

La mappa spot dei set di dati combinati di sei epoche, centrata sulla posizione della protostella G358-MM1. La mappa mostra la posizione di tutti i singoli maser rilevati nel tempo. I colori indicano la velocità dell’emissione, il blu in avvicinamento e il rosso in allontanamento rispetto alla velocità sistemica. La linea nera indica la direzione del gradiente di velocità maggiore. I bracci siprali identificati in questo lavoro sono mostrati come spesse linee grigie. Crediti: Burns et al. 2023, Nature Astronomy

Nello studio sono stati raccolti anche i dati ottenuti dal radiotelescopio a parabola singola di 32 metri della Stazione radioastronomica di Medicina (Bologna) dell’INAF, che ha monitorato l’emissione tra febbraio e ottobre 2019, e come parte dell’EVN (European VLBI Network) durante le osservazioni ad alta risoluzione angolare (marzo 2019). Anche il Sardinia Radio Telescope (SRT) dell’INAF ha partecipato alle osservazioni EVN di marzo 2019.

Le stelle sono considerate di grande massa se sono almeno otto volte più massicce del Sole. Agiscono come fabbriche atomiche per generare molti dei mattoni necessari per la vita nell’universo e alterano l’aspetto e l’evoluzione delle galassie. Le stelle più massicce diventano enigmatici buchi neri quando concludono il loro ciclo evolutivo. Nonostante la loro importanza nell’universo, il processo attraverso il quale si formano stelle di grande massa è stato un mistero per molti decenni. Recentemente si è scoperto che questi oggetti celesti si formano al centro di dischi rotanti di gas e polvere, noti come dischi protostellari, che hanno un raggio di circa 1000 unità astronomiche (una unità astronomica è la distanza media che separa la Terra dal Sole).

Rappresentazione artistica del disco a spirale a 4 bracci che ospita la protostella di grande massa ad accrescimento episodico G358-MM1. Crediti: Charles Willmott & Ross Burns

Una teoria che sta emergendo nella ricerca sulla formazione stellare di massa elevata è quella dell’”accrescimento episodico”, per cui ammassi di gas ricchi di polveri si riversano occasionalmente dal disco protostellare sulla stella in accrescimento, o “protostella”, al centro. Questi avvenimenti forniscono alla protostella più della metà della massa che guadagna durante la sua fase di crescita e ne aumentano temporaneamente la sua luminosità. Tuttavia, questi episodi di accrescimento si verificano su scale temporali da centinaia a migliaia di anni e, durando solo pochi mesi o anni, sono eventi molto rari da studiare. Gli astronomi hanno catturato solo pochi lampi di accrescimento nelle protostelle di massa elevata. Il più recente e il più intensamente studiato risale al 2019 e ha come protagonista la protostella di grande massa G358-MM1. La teoria dell’accrescimento episodico propone che i dischi protostellari siano grumosi e che i bracci a spirale possano emergere nel disco per effetto della forza di attrazione gravitazionale della protostella.

L’osservazione dei dischi protostellari attorno alle protostelle di grande massa, per non parlare di qualsiasi struttura a spirale o grumo, è stata una sfida per gli astronomi. Le protostelle di grande massa si formano all’interno di dense nubi di gas e polvere in turbolenti vivai stellari, che sono per lo più invisibili ai telescopi ottici attualmente disponibili.

Il team ha utilizzato una nuova tecnica chiamata “mappatura dell’onda di calore”: si sfrutta il lampo di radiazione, conseguenza dell’accrescimento, per mappare la superficie del disco utilizzando l’emissione maser del metanolo. In totale sono stati utilizzati 24 radiotelescopi, in Oceania, Asia, Europa e America. Tutti i dati sono stati combinati per produrre un’immagine del disco a spirale di G358-MM1 con una risoluzione di milliarcosecondi (1/3600000 di grado). Il primo autore dello studio, Ross Burns del National Astronomical Observatory of Japan e del Korea Astronomy and Space Science Institute, afferma:

“I dati delle osservazioni di radiotelescopi in tutto il mondo hanno contribuito a questa scoperta. Tali dati sono stati accuratamente elaborati in data center in tre diversi continenti. Queste attività da sole comportano lo sforzo di oltre 150 persone”.

G358-MM1 ha quattro bracci a spirale che avvolgono la protostella. I bracci a spirale aiutano a trasportare il materiale del disco fino al centro del sistema dove può raggiungere la protostella e alimentarla. Se in altre protostelle di grande massa verranno scoperti più sistemi a spirale ed episodi di accrescimento, utilizzando la mappatura delle onde di calore o altre tecniche di osservazione, allora gli astronomi saranno in grado di fornire una migliore comprensione della formazione delle stelle di grande massa.

Jan Brand, ricercatore presso l’INAF di Bologna e tra gli autori dell’articolo, spiega: “L’antenna da 32 metri di Medicina ha risposto ad un cosiddetto flare alert (allerta di improvviso incremento di emissione maser) emesso dal Maser Monitoring Organisation, in cui si indicava che G358.93-0.03, una delle sorgenti regolarmente monitorate da un altro osservatorio, mostrava elevata emissione del maser del metanolo – un possibile indicatore di un evento di accrescimento di materia su una protostella di alta massa. Il monitoraggio del target con l’antenna da 32 metri ha confermato l’aumento di attività anche dell’emissione del maser dell’acqua, come confermato anche da altre antenne della collaborazione scientifica a varie frequenze radio. Sulla base di questi dati sono state condotte osservazioni ad alta risoluzione angolare con vari network di antenne, tra i quali l’EVN, in cui hanno preso parte sia l’antenna di Medicina che l’SRT da 64 metri”. E continua: “Interessante notare che una delle prime indicazioni della presenza di struttura a spirale nel disco attorno a questa sorgente è stata trovata in uno studio col VLA guidato da Olga Bayandina (postdoc all’INAF di Firenze, e coautrice di questo lavoro)”.

Il team continuerà a cercare questi fenomeni nelle protostelle di grande massa, tramite una rete internazionale di astronomi, la Maser Monitoring Organization (M2O), che ha come missione la condivisione di informazioni in tempi scala brevissimi. Finora sono stati osservati solo tre casi di accrescimento episodico associato a protostelle di grande massa, per la prima volta in S255IR-NIRS3 da Alessio Caratti o Garatti (INAF di Napoli, coautore nel presente lavoro) e collaboratori nel 2017. Il team spera di trovarne molte altre.

Per ulteriori informazioni:

L’articolo “A Keplerian disk with a four-arm spiral birthing an episodically accreting high-mass protostar”, di R. A. Burns, Y. Uno, N. Sakai, J. Blanchard, Z. Fazil, G. Orosz, Y. Yonekura, Y. Tanabe, K. Sugiyama, T. Hirota, Kee-Tae Kim, A. Aberfelds, A. E. Volvach, A. Bartkiewicz, A. Caratti o Garatti, A. M. Sobolev, B. Stecklum, C. Brogan, C. Phillips, D. A. Ladeyschikov, D. Johnstone, G. Surcis, G. C. MacLeod, H. Linz, J. O. Chibueze, J. Brand, J. Eislöffel, L. Hyland, L. Uscanga, M. Olech, M. Durjasz, O. Bayandina, S. Breen, S. P. Ellingsen, S. P. van den Heever, T. R. Hunter, X. Chen, è stato pubblicato sulla rivista Nature Astronomy.

Testo e immagini dall’Ufficio stampa – Struttura per la Comunicazione Istituto Nazionale di Astrofisica – INAF.

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